- •Б.Л. Павлов, в.Н. Белко теория открытых равновесных систем и её применение в физике
- •Введение
- •1.Теория открытых объёмных равновесных систем
- •Закрытые и открытые объёмные однокомпонентные равновесные системы
- •Равновесные состояния закрытой и открытой объёмных систем
- •Равновесные процессы в закрытых объёмных системах
- •1.4. Основное уравнение термодинамики открытых однокомпонентных объёмных равновесных систем
- •1.5. Уравнение состояния открытых однокомпонентных объёмных равновесных систем
- •1.6. Невозможность осуществления изопроцессов в открытых объёмных системах
- •1.7. Понятие объёмной плотности теплоёмкости однокомпонентной открытой равновесной системы
- •1.8. Связь объёмной плотности теплоёмкости с равновесным давлением открытой системы
- •2. Идеальный бозе-газ, состоящий из частиц, масса покоя которых не равна нулю
- •2.1. Применение распределений Бозе и Ферми к идеальным газам, состоящим из частиц, масса покоя которых не равна нулю
- •2.2 Нахождение элементарного числа квантовых состояний частицы
- •2.3. Переход от суммирования по квантовому числу к интегрированию по классическому фазовому пространству
- •2.4. Расчётные формулы для определения термодинамических характеристик идеального бозе-газа
- •2.5. Определение температуры вырождения идеального бозе-газа, состоящего из частиц
- •2.6. Определение зависимости числа бозонов от температуры в вырожденном идеальном бозе-газе
- •2.7. Конденсация Бозе-Эйнштейна
- •2.8. Физический смысл температуры вырождения идеального бозе-газа, состоящего из частиц
- •2.9. Невырожденный идеальный бозе-газ при высоких температурах
- •2.10. Определение числа степеней свободы частицы и квазичастицы
- •2.11. Теплоёмкости идеального больцмановского газа
- •2.12. Плотность внутренней энергии вырожденного идеального бозе-газа
- •2.13. Уравнение состояния вырожденного идеального бозе-газа
- •3. Связь между квазиклассическим и квантовым фазовыми пространствами частицы
- •3.1. Волновая функция для свободной частицы
- •3.2. Периодические граничные условия
- •3.3. Нормировка волновой функции
- •3.4. Собственные функции и собственные значения операторов h, Hx , Hy , Hz
- •3.5. Собственные волновые функции и собственные значения операторов
- •3.6. Собственные функции и собственные значения операторов Гx, Гy, Гz
- •3.7. Собственные функции и собственные значения операторов состояний частицы
- •3.9. Одномерные квантовые фазовые пространствa частицы
- •3.10. Трёхмерное пространство квантовых состояний частицы
- •3.11. Трёхмерное квантовое фазовое пространство частицы
- •3.12. Классическое фазовое пространство
- •3.13. Двумерное классическое фазовое пространство частицы
- •3.14. Двумерное квазиклассическое фазовое пространство частицы
- •3.15. Связь двумерного квазиклассического фазового пространства с одномерным квантовым фазовым пространством
- •3.16. Связь шестимерного квазиклассического фазового пространства частицы с её трёхмерным квантовым фазовым пространством
- •3.17. Правило квантования движения частицы Бора
- •3.18. Дифференциальная форма распределений Бозе и Ферми
- •3.19. Вычисление термодинамических характеристик для идеальных ферми- и бозе-газов в квазиклассическом приближении
- •3.20. Квазиклассическое приближение
- •4. Плоские монохроматические волны и соответствующие им квазичастицы
- •4.1. Волновое уравнение
- •4.2. Плоские монохроматические волны
- •4.3.Уравнение Шрёдингера для плоской волны
- •4.4. Статистическая интерпретация волновой функции для плоской волны
- •4.5. Квантовое пространство волновых векторов плоской волны
- •4.6. Собственные функции операторов , ,
- •4.7. Квантовое пространство состояний плоской волны
- •4.8. Плоские волны и соответствующие им квазичастицы
- •4.9. Уравнение Шрёдингера для квазичастицы
- •4.10. Определение массы квазичастицы
- •4.11. Связь энергии квазичастицы с фазовой скоростью соответствующей ей плоской волны
- •4.12. Число степеней свободы квазичастицы
- •4.13. Переход от квантового описания плоской волны к квазиклассическому
- •4.14. Переход от плоской волны к соответствующей ей квазичастице
- •4.15. Волновая функция плоской волны в квазиклассическом приближении
- •4.16. Характеристики плоской волны и соответствующей ей квазичастицы в квазиклассическом приближении
- •4.17. Распределения Ферми и Бозе для квазичастиц
- •4.18. Правило квантования движения плоской волны
- •4.19. Фотон – квазичастица
- •5. Теория равновесного с веществом фотонного газа
- •5.1. Равновесный идеальный фотонный газ
- •5.2. Применение статистики Бозе-Эйнштейна к равновесному с веществом фотонному газу
- •5.3. Определение термодинамических характеристик равновесного фотонного газа
- •5.4. Конденсация Бозе-Эйнштейна в равновесном с веществом фотонном газе
- •5.5. Уравнение состояния равновесного с веществом фотонного газа
- •5.6. Плотность энтропии равновесного с веществом фотонного газа
- •5.7. Плотность теплоёмкости равновесного фотонного газа
- •5.8. Критические замечания
- •5.9. Спектральные характеристики и интегральные законы равновесного излучения
- •5.10. Первые спектральные законы равновесного излучения (законы смещения)
- •5.11. Вторые спектральные законы равновесного излучения
- •5.12. Средняя энергия фотона
- •6. Твёрдые тела. Теория идеального фононного газа
- •6.1. Уравнения движения упругой среды
- •6.2. Обобщённый закон Гука
- •6.3. Продольные и поперечные упругие волны
- •6.4. Подсчёт числа упругих плоских волн в объёме твёрдого тела, имеющего структуру
- •6.5. Идеальный фононный газ
- •6.6. Определение числа квантовых состояний «продольного» и «поперечного» фононов
- •6.7. Определение температуры вырождения идеального фононного газа
- •6.8. Конденсация Бозе-Эйнштейна в идеальном фононном газе
- •6.9. Нахождение плотности свободной энергии вырожденного идеального фононного газа
- •6.10. Уравнение состояния вырожденного идеального фононного газа
- •6.11. Нахождение плотности энтропии вырожденного идеального фононного газа
- •6.12. Нахождение плотности внутренней энергии вырожденного идеального фононного газа
- •6.13. Нахождение плотности теплоёмкости вырожденного идеального фононного газа
- •6.14. Уравнение состояния невырожденного идеального фононного газа при высоких температурах
- •6.15. Внутренняя энергия идеального фононного газа при высоких температурах
- •6.16. Теплоёмкость при постоянном объёме невырожденного идеального фононного газа при высоких температурах
- •6.17. Химический потенциал фонона при высоких температурах
- •6.18. Энтропия идеального фононного газа при высоких температурах
- •6.19. Вычисление температур вырождения фононного газа для некоторых твёрдых тел
- •6.20. Твёрдые тела в гармоническом приближении
- •6.21. Следствия гармонического приближения
- •6.22. Упругие волны с учётом нелинейных эффектов
- •6.23. Нелинейное одномерное волновое уравнение
- •6.24. Замечание о невырожденных твёрдых телах
- •7. Критика дебаевской теории теплоёмкости твёрдых тел
- •7.1. Основные положения теории Дебая
- •7.2. Определение внутренней энергии твёрдого тела
- •7.3. Определение теплоёмкости при постоянном объёме
- •7.4. Исследование теплоёмкости cv при высоких и низких температурах
- •7.5. Замечание по поводу нахождения Дебаем максимальной частоты упругих колебаний
- •7.6. Недостатки теории Дебая
- •8. Теория равновесных двухфазных однокомпонентных объёмных термодинамических систем
- •8.1 Равновесная двухфазная однокомпонентная объёмная система как открытая система
- •8.2. Термодинамические характеристики однокомпонентной двухфазной объёмной равновесной системы
- •8.3. Плотность теплоёмкости однокомпонентной равновесной двухфазной объёмной системы
- •8.4. Критические замечания
- •8.5. Условия равновесия двухфазной объёмной системы
- •8.6. О некорректности уравнения Клапейрона-Клаузиуса
- •8.7. Основное уравнение термодинамики однокомпонентных объёмных двухфазных равновесных систем
- •8.8. Уравнение состояния однокомпонентной равновесной объёмной двухфазной системы
- •8.9 . Связь плотности теплоёмкости однокомпонентной двухфазной объёмной системы с её равновесным давлением
- •8.10. Уравнения равновесных процессов в однокомпонентных двухфазных объёмных системах, имеющих только одну тройную точку
- •8.11. Нахождение термодинамических характеристик однокомпонентной двухфазной равновесной объёмной систем из экспериментальных данных
- •9. Теория однокомпонентной равновесной поверхностной системы
- •9.1. Понятие поверхностной системы
- •9.2. Поверхностная фаза как закрытая система
- •9.3. Поверхностная фаза – открытая система
- •9.4. Основное уравнение термодинамики поверхностной фазы как открытой системы
- •9.5. Уравнение состояния поверхностной системы
- •9.6. Условия равновесия двухфазной однокомпонентной объёмной системы с учётом межфазного натяжения
- •9.7. О некорректности определения коэффициента межфазного натяжения
- •9.8. Определение коэффициента межфазного натяжения
- •9.9. Об измерении коэффициента межфазного натяжения
- •9.10. Поверхностная плотность теплоёмкости поверхностной фазы
- •9.11. Невозможность введения понятия поверхностной фазы из условий фазового равновесия Гиббса
- •9.12. Нахождение термодинамических характеристик поверхностной фазы из экспериментальных данных
- •10. Двухкомпонентная модель вырожденного идеального бозе-газа, состоящнго из частиц, масса покоя которых не равна нулю
- •10.1. Определение температуры вырождения идеального бозе-газа, состоящего из частиц, в квазиквантовом приближении
- •10.2. О некорректности определения понятия «конденсация Бозе-Эйнштейна»
- •10.3. Физический смысл температуры вырождения идеального бозе-газа в случае квазиклассического приближения
- •10.4. Квазиквантовое приближение
- •10.5. Введение наименьшего, не равного нулю, уровня энергии бозона
- •10.6. Понятие о двухкомпонентной модели вырожденного идеального бозе-газа, состоящего из частиц
- •10.7. Зависимость числа «свободных» бозонов от температуры в случае квазиквантового приближения
- •10.8. Невозможность термодинамического равновесия между компонентами вырожденного идеального бозе-газа
- •10.9. Закон сохранения числа бозонов в замкнутой системе
- •10.10. Физический смысл температуры вырождения бозе-газа в случае квазиквантового приближения
- •10.11. Замечание о химических потенциалах вырожденного идеального бозе-газа
- •10.12. Конденсация Бозе-Эйнштейна в случае квазиквантового приближения
- •10.13. Определение плотности внутренней энергии компонента, состоящего из «свободных» бозонов
- •10.14. Определение внутренней энергии «конденсата» вырожденного идеального бозе-газа
- •10.15. Уравнение состояния «конденсата» вырожденного идеального бозе-газа
- •10.16. Определение химического потенциала бозонов «конденсата»
- •10.17. Уравнение состояния компонента вырожденного идеального бозе-газа, состоящего из «свободных» бозонов
- •10.18. Энтропия «конденсата» вырожденного идеального бозе-газа
- •10.19. Определение плотности энтропии компонента, состоящего из «свободных» бозонов
- •10.20. Плотность теплоёмкости компонента, состоящего из «свободных» бозонов
- •10.21. Теплоёмкость «конденсата» вырожденного идеального бозе-газа
- •10.22. Вычисление температур вырождений некоторых идеальных бозе-газов
- •11. Двхкомпонентная модель вырожденного идеального ферми-газа, состоящего из частиц, масса покоя которых не равна нулю
- •11.1. Определение температуры вырождения идеального ферми-газа в случае квазиклассического приближения
- •11.2. Зависимость числа «свободных» фермионов в вырожденном идеальном ферми-газе от температуры
- •11.3. «Конденсация Ферми-Дирака» в вырожденном идеальном ферми-газе в случае квазиклассического приближения
- •11.4. Понятие о двухкомпонентной модели вырожденного идеального ферми-газа
- •11.5. Конденсация Ферми-Дирака в идеальном ферми-газе в случае квазиквантового приближения
- •11.6. Граничное значение квантового числа (квантовое число Ферми)
- •11.7. Граничная энергия (энергия Ферми)
- •11.8. Граничный импульс (импульс Ферми)
- •11.9. Внутренняя энергия «конденсата» вырожденного идеального ферми-газа
- •11.10. Уравнение состояния «конденсата» вырожденного идеального ферми-газа
- •11.11. Определение химического потенциала фермионов «конденсата»
- •11.12. Замечание о компонентах вырожденного идеального ферми-газа
- •11.13. Закон сохранения числа фермионов в замкнутой системе
- •11.14. Физический смысл температуры вырождения идеального ферми-газа в случае квазиквантового приближения
- •11.15. Определение плотности внутренней энергии компонента, состоящего из «свободных» фермионов
- •11.16. Уравнение состояния компонента, состоящего из «свободных» фермионов
- •11.17. Энтропия «конденсата» вырожденного идеального ферми-газа
- •11.18. Плотность энтропии компонента, состоящего из «свободных» фермионов
- •11.19. Теплоёмкость «конденсата» вырожденного идеального ферми-газа
- •11.20. Плотность теплоёмкости компонента, состоящего из «свободных» фермионов
- •11.21. Критические замечания
- •11.22. Вычисление температуры вырождения электронного газа для некоторых металлов
- •12. Двухкомпонентная модель вырожденного твёрдого тела
- •12.1. Квазиклассическая модель твёрдого тела
- •12.2 Конденсации Бозе-Эйнштейна в фононном газе в случае квазиклассического приближения
- •12.3. Физический смысл температуры вырождения идеального фононного газа в случае квазиклассического приближения
- •12.4. Квазиквантовое приближение твёрдого тела
- •12.5. Двухкомпонентная модель вырожденного твёрдого тела
- •12.6. Конденсация Бозе-Эйнштейна в твёрдом теле в случае квазиквантового приближения
- •12.7. Невозможность термодинамического равновесия между компонентами вырожденного твёрдого тела
- •12.8. Закон сохранения числа фононов в замкнутой системе
- •12.9. Физический смысл температуры вырождения идеального фононного газа в случае квазиквантового приближения
- •12.10. Замечание о химических потенциалах фононов вырожденного идеального фононного газа
- •12.11. Определение внутренней энергии «конденсата»
- •12.12. Уравнение состояния «конденсата»
- •12.13. Определение химического потенциала фонона, представляющего собой трёхмерный осциллятор с нулевой энергией
- •12.14. Энтропия «конденсата»
- •12.15. Теплоёмкость «конденсата»
- •12.16. Давление в вырожденном идеальном фононном газе
- •12.17. Термодинамические характеристики компонента, состоящего из плоских упругих волн
- •13. О современной статистической термодинамике твёрдых тел
- •13.1. Современная модель твёрдого тела
- •13.2. Свободная энергия твёрдого тела
- •13.3. Неправильное определение понятия низких температур
- •13.4. Неправильное определение элементарного числа звуковых колебаний
- •13.5. Неправильное определение средней скорости звуковой волны
- •13.6. Термодинамические характеристики твёрдого тела при низких температурах
- •13.7. Невозможность введения понятия коэффициента объёмного расширения для твёрдого тела в гармоническом приближении
- •13.8. Свободная энергия твёрдого тела при высоких температурах
- •13.9. Нахождение внутренней энергии твёрдого тела при высоких температурах
- •13.10. Теплоёмкость твёрдого тел при высоких температурах
- •13.11. Неправильный выбор модели твёрдого тела при высоких температурах
- •13.12. Учёт конечной максимальной частоты колебаний
- •13.13. Термодинамические характеристики твёрдого тела с учётом конечной максимальной частоты колебаний
- •13.14. Теплоёмкость твёрдых тел при высоких и низких температурах
- •13.15. Уравнения состояний твёрдого тела при высоких и низких температурах
- •13.16. Определение числа степеней свободы квазичастицы твёрдого тела при высоких температурах
- •13.17. Физический смысл температуры Дебая
- •13.18. Выводы
- •Заключение
- •Библиографический список
- •Оглавление
- •394006 Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Воронежский государственный архитектурно-строительный университет»
Б.Л. Павлов, в.Н. Белко теория открытых равновесных систем и её применение в физике
Монография
Воронеж
2015
УДК 536.75
ББК
П121
Рецензенты:
В.И. Кукуев, д. ф.-м. н., проф. Воронежского государственного университета;
Б.И. Селезнёв, д. т. н., проф., директор института электронных систем,
зав. кафедрой физики твёрдого тела
Новгородского государственного университета им. Ярослава Мудрого
ПАВЛОВ, Б,Л,
Теория открытых равновесных систем и её применение в физике : П121 монография / Б.Л. Павлов, В.Н. Белко ; Воронежский ГАСУ. – Воронеж,
2015. – 138 с.
Авторами развита теория открытых однокомпонентных равновесных систем, без которой описание поведения таких термодинамических систем, как вырожденные идеальные бозе- и ферми-газы, состоящие из частиц, масса покоя которых не равна нулю, равновесный фотонный газ, вырожденный идеальный фононный газ (вырожденное твёрдое тело), однокомпонентная равновесная двухфазная объёмная система, однокомпонентная равновесная с объёмными фазами поверхностная фаза, невозможно.
Книга будет интересна и полезна аспирантам, преподавателям вузов и студентам старших курсов.
Библ.: 46 назв.
УДК 536. 75
ББК
Научный редактор – В.В. Чернышёв, д. ф.-м. н., проф., заведующий кафедрой
общей физики Воронежского государственного
университета
Печатается по решению учебно-методического совета
Воронежского ГАСУ
ISBN 978-5-89040-544-9 © Павлов Б.Л., Белко В.Н., 2015
© Воронежский ГАСУ, 2015
Введение
В 1993 г. вышли две работы [1] и [2] , в которых авторами вводится понятие открытых равновесных объёмных систем (систем с переменным числом частиц ) и рассматривается теория таких систем: введены термодинамические параметры и термодинамические характеристики открытых систем, получено уравнение состояния этих систем в неявном виде, которое в то же время является и уравнением равновесного процесса, происходящего в них, а также основное уравнение термодинамики для открытых систем. В этих работах показано, что для однокомпонентных равновесных объёмных систем условием открытости термодинамической системы является равенство нулю химического потенциала её частиц ( ). В последующих работах было показано, что свойствами открытой системы обладают многие термодинамические системы в физике: вырожденные идеальные бозе- и ферми-газы, состоящие из частиц с массой покоя не равной нулю, равновесная однокомпонентная двухфазная система, поверхностная фаза, образующаяся на границе раздела двух однокомпонентных равновесных объёмных фаз, и, наконец, термодинамические системы, состоящие из квазичастиц: равновесный с веществом фотонный газ, вырожденный идеальный фононный газ в твёрдых телах. В работах [1] и [2] показано, что в отличие от термодинамики закрытых систем (систем с постоянным числом частиц ), в которой существуют три термодинамических параметра (соответственно давление, объём и абсолютная температура), в термодинамике открытых равновесных систем используются только два параметра и (объём как параметр отсутствует). Вместо таких обычных термодинамических характеристик для закрытых систем, как (внутренняя энергия), (свободная энергия), (энтропия), (постоянное число частиц), в термодинамике открытых однокомпонентных равновесных систем приходится вводить объёмные плотности этих термодинамических характеристик , , , , которые являются функциями только одной абсолютной температуры. Все изопроцессы (изотермический, изохорический, изобарический, адиабатический), имеющие место в закрытых системах, осуществить в открытых системах невозможно. В открытой однокомпонентной системе существует только один единственный равновесный процесс, связанный с изменением числа частиц в ней при изменении температуры. В монографии рассмотрен большой перечень работ, в которых авторы ошибочно пытаются ввести в открытых системах те или иные изопроцессы. Теория открытых однокомпонентных равновесных систем позволяет несколько иначе взглянуть на такое понятие как вырождение идеальных бозе- и ферми-газов [3]. Согласно этой теории температуры вырождения идеальных бозе- и ферми-газов есть не что иное как температуры перехода этих термодинамических систем из закрытой формы в открытую, а само понятие вырождение этих газов трактуется как состояния этих газов в виде открытых термодинамических систем. Существуют некоторые термодинамические системы, например, равновесный фотонный газ, поверхностная фаза, представляющие собой всегда открытые системы. В монографии также развита и теория однокомпонентных равновесных поверхностных систем: введены термодинамические параметры и (соответственно межфазное натяжение и абсолютная температура) и поверхностные термодинамические характеристики, получено уравнение состояния поверхностной фазы в неявной форме, которое в то же время является и уравнением равновесного процесса в поверхностной фазе, а также основное уравнение термодинамики для поверхностной фазы. В данной работе вводится понятие квазичастицы как структурного элемента модели изучаемой термодинамической системы. Так, например, моделью невырожденного твёрдого тела является невырожденный идеальный фононный газ, состоящий из квазичастиц (фононов), представляющих собой плоские монохроматические упругие волны. Моделью вырожденного твёрдого тела является вырожденный фононный газ, состоящий из двух компонентов: один образован из фононов, представляющих собою плоские упругие монохроматические волны, другой – трёхмерными осцилляторами, имеющими энергию нулевых колебаний. В 2012 г. вышла работа [4], в которой сделана попытка очень кратко систематизировать результаты, связанные с применением теории равновесных открытых однокомпонентных систем в физике. Целью данной монографии является более подробное описание этой теории и её применение в различных разделах физики.